应用混凝土技术提高低密度水泥性能.pdf

⑥ 9 一 z 应 用 蓑 銮 高 一r一 7 ， 密 度 水 泥 性 能 ， ， I77 - 卜 I ‘ 。 百 低破裂压力 地层 或漏失 地 层 的套管 注 水 泥需要 低密度水 泥浆 以减 少水泥浆 的液 柱压 力。这种 低密度水 泥浆 不 仅要在 注水 泥 过程 中而 且 在 水 泥 凝 固 后 也 表 现 出 较 好 的 性 能 。 然而传统低 密度水泥通常都导 致低 抗压强度 、 高孔隙度和 高渗透 率 ，从 而 限制 了其 应 用范 围。不可否认 的事 实是 目前 低破 裂梯 度地 层 完井时水 泥石 在射 L 前 的抗压 强度 都达不 到 要 求( 1 4 MP a是 石 油行 业 最 低标 准 ) 。低 密 度水 泥浆 由于不 与 下 部地 层 流 体 发 生 交换 ， 应用于 注水泥 塞有 时具有 一定 的 优势 ，但 要 达到很高 的早期强度也是非常 困难 的 一 种新 的低 密度 水泥浆 设计 方 法可 消 除 由水泥浆密 度 低而带 来的 负面 影响 。在 民用 工程 中，最新 发 现的颗 粒堆 积原 理是优 化 粒 状干 混物 得到优异性 能混凝 土的关键 。 粒状 干混物 的堆积 比例越 高 ，由此得 到 的混合物 的 性能越 好。干混 合晟 太堆 积 的原 理 已被应 用到设计 高性 能的低密度油井水泥。 干混 物的选 择是直 接或 间接影 响水泥浆 及凝 固水 泥性 能 的 关键 因索 。利 用 这一 新技 术 ， 可 以设计密 度范 围在 1 ． 2 5—1 ． 5 5 g ／ c r n 3范 围 内低 密 度 水 泥 浆 ，并 且 有 很 高 的早 期 强 度 [ 2 4小 时强 度超过 1 4 MP a( 1 ． 2 5 g ／ e ra 3 )和 2 8 MP a( 1 4 g ／ c m 3 ) ] ，较低的渗透率 ( 小于 1 0毫达西)和较低 的孔隙度( 2 0 ％) 。 本文分两 部分 ．第 一 部分论 述这 ～ 新技 术并 介绍 不 同水 泥浆和 水泥 石性能 的实 验数 据 。第 二部分列 举该新技术 应用的典型事例 ， 证实应 用这 项 技术 所带来 的好 处 ，如简 化水 泥浆设计 ，减 少 钻 机 等 待 和水 泥候 凝 时 间 ， 在低破裂压力完井 中免 去补挤水 泥。 堆积 技术 在混凝 土行 业 ，颗 粒 堆积 原理 是 优 化粒 状 混合 物 以得 到优异 性能 的胶 结材料 的关键 性概 念 通 常高性 能 的混凝 土 混合 含有 一定 数量的颗粒级 别 ，每 个级 别的 粒径 范 围都很 窄 ，在两个连 续的粒 径级 别 之 问，平均 直 径 ( d s o )应 占很高的 比例 。 干混物 的 堆积 体积 百分 比( P VF)是 衡 量颗粒之 问达到给定 密实状态时的相容能力 。 将干粉混 台物充 满 一个 容器 中 ，将 容器体 积 被干 粉 实 际 占有 容 器 中 的 体 积 除便 可 测 出 P vF。P VF就是 体积密 度 ( 堆积 后)与 比重 的比值。完全 一样( 单 分 散相 )的球 形颗 粒 泽 校 B 眦 等 № 维普资讯 国9 h 钻井技术 第 1 4卷1 9 9 9年第 6 期 最完美 的堆积 方式是 正六角形 堆积 ，其 P VF 可 达到 0． 7 4 同一种球 形颗粒之 间任意 堆积 的 P vF是 0 ． 6 4 。 当干 粉粒 子具 有 不 同 尺寸 ( 多分 散相 )时 ，P VF值越 高 因为小 尺寸 粒 子 可 以 充 填 大 粒 子 之 间 的 空 隙 ， 从 而 使 P vF接近 于 1 ，这种 P VF最大化原 理可 以用 于 设 计 高 性 能 的低 密 度 油 井水 泥 对于粒状物 ，计算 P vF时应 考虑 粒度分 布( P S I ) )和颗 粒形 状。假 定粒 子 形 状 都是 球形 ，则可从 任何 种类不 同的粉状 混合 物或 特殊 的 粉状 物 的 P S D 建 立 P vF计 算 模 型 这个 模 型 能 准确 快 速 地 给 出混 合物 的 最 大 P VF并确 定混 合 物 中各 种组 份 的 比例 关 系。 混合物 的 P VF越高 ，则 悬浮液的性 能越好 。 室温 下水 泥 浆 的密 度 ( 单 位 ：l b t x t ／ g a 1 )可 由下 式 表 达 ： D s= I S Gb l ( 1一P)+P 8 ． 3 3 ( 1 ) 水 泥浆 密度同时是 周相 比重( S G)和水 泥浆孔 隙度( P)的 函 数 固相 实 际就 是 干 混物 ，孔 隙度 就是液 相体 积 被液相 与 固相体 积 之 和 相 除 这项技术 最主要 的变化 之 一是 干混 物 的 比重在给定 的孔 隙度条件 下 由预 期所 需 的水 泥浆密 度推 导出来。 S G = [ ( ／ 8 ． 3 3 ) 一P ] ／ [ 1一P ]( 2 ) 第一步 是选择 合适 的给定 比重 的f混物 并且 有最 优 的颗 粒 匹 配 以得 到最 大 的 P VF。 这种 优 化意 味 着 P VF高达 O ． 8 7 为达 到合 适的 比重和满 足适 当的粒 度分 布 ，下 列材 料 可以选择 ：油井 水泥 ，硅 粉( 井底静 止 温度 超 过 1 1 0 ℃ 时) ，以及 尺寸合 适 的轻质 矿物 。 优化后 的干混物的 比重 范围 一般在 1 ． 5 5 ( 水 泥浆密度 1 ． 2 5 g ／ c m )到 1 9 5 ( 水 泥 浆 密度 1 ． 5 0 g ／ c m3 ) 因 为干混物 的粒 度 分布 经过 优 化 ，形成 的水泥 浆需水 量减 少 ，最 优 化 的水 泥浆孔隙度范围在 O． 4到 0． 5之 间。 悬浮液 的流 变性能 取决 于颗粒 的堆积 状 况 。P VF最大 化的干混物 能使需 水量减少 的 水泥浆表 现出 易混性 和合 适 的塑性 粘度 这 种 水泥浆 同时 也能表 现出 良好的稳定 性 以及 在低温 3 8 ℃条件下很短 的稠 化时 间( 该 技术 的温度 上 限 是 2 0 7 ℃ ) ：干混 物 一 旦被 优 化 ， 就 可 象 通 常 没计 传 统 的 低 密 度 水 泥 浆 一 样 设 计水 泥浆 如果需 要 ，通过 添加 分 散剂 、缓 凝 剂或速凝 剂 及降失水 剂把 水泥浆 的分 散 性 、稠化时 间 及 失水 量控制 在需 要 的水 平 上 。同体外加 剂的 浓度 以 占十混物 重 量百分 比 ( ％B w( ) B) 来表 ，而 液体 外 加 剂的裱 度 以每袋( 1 0 0 1 b )的加 仑数来表 达 凝 固后 的水 泥性 能 当水 泥浆 凝 固后 ，这 些 经 优 化 的水 泥 浆 显 示出与传 统 的密度 1 ． 9 0 g ／ c a n 的原浆 柑似 的 甚至 更好 的力 学性 能 1 ． 收缩性用 密度 1 ． 9 0 g ／ c m 的原浆 与 优化 的低 密度水 泥 浆进行 体积 收缩 对 比。实 验过 程采 用薄膜方 法( 在无 应力 和渗透条件 、 室 温 和大 气压 环境 下 实 验 ) 。 5天 后 的试 验 结 果显示 低 密 度 水 泥 浆 的 体 积 收缩 率( 小 于 1 ％)与原浆( 4 -4． 5 ％)对 比要小 的多 。 2 ． 抗 压强 度用哈里伯 顿超声 波水泥 强 度分析 仪 在 施 加 2 l MP a条 件 下 测量 抗 压 强 度。为了对 应井底 静止 温度 与水 泥环 上部静 止温 度之间的 巨大 差异 ，实验 在井 底循 环温 度( B HC T)下 运行 ，因为 要 考 虑 到水 泥封 固段较 长或者地 温梯度 较高 或两者 都存在 的 情况 。表 l列 出 了实 验结 果 ，证 明这些 优 化 的水 泥体系 的 早期 强度 发展 非常迅 速。表 中 显示 ，强 度 从 5 0 p s i 到 5 0 0 p s i 之 间过渡 时 间 相 对 比较短 ，这 一特点 可缩 短 侯凝 时间 。当 强度增加到一个平稳阶段时 ，增长过程变慢 ， 但抗压强度仍 持续 增长 这 些体 系 的最终 强 度都很 高( 2 4小 时后 ) ，1 ． 2 5 g ／ c m3水 泥 浆 的抗压 强度 超 过 l 7 3 MP a ，密度 1 ． 3 0 g ／ c m 的抗压强 良在 2 1 MPa以上。 3 ． 拉 伸强度数字模 拟显示评 价水 泥环 在环 空 中的力学整 体性 的主要 参数 是拉伸 强 度( T)与杨 氏弹 性模量( E)之 间 的 比值 维普资讯 6 l 比值越 高 ，性能越好 为评价 高性 能低 密 表 1 优化低 密度水泥 浆的典型 性能 密度( g ／ c m3 ) 1 ． 2 5 1 3 2 1 4 3 l 5 O B HC ? F ( ℃ ) 4 9 8 0 6 0 1 ] 0 B HS T ( ℃ ) 5 6 9 8 8 5 2 3 2 滴泡剂t 加仑 ／ 袋 ) 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0． 0 1 分 散剂( 加仑 镩i ) 0 ． 0 6 0 0 6 0 ． 0 5 0 ． 1 2 缓 凝剂( 加仑 ／ 袋 ) 一 0 ． O 2 速 凝剂( 加仑 ／ 袋 ) }6 0 ． 0 4 降失水剂 ( ％．占固体重量) 一 0 1 5 Ty ( B HC T)( ] b f ／ 1 0 0 f t ) 2 0 I 7 9 3 PV ( B HC T)( C P) 2 l 7 0 1 4 5 } 4 4 稠化 时间( h r ：mln) 2 ． 5 7 3： 5 0 5 0 0 2： 3 2 5 0 p s l( B HCT)( h r ： mi n ) 3： 5 3 7 t 2 6 4 0 7 4 3 5 0 p s l( B HCT)( h r ： min) 6 ： 3 0 8： 1 2 7： 3 3 8 ： 3 3 2 4 h r 抗 压强度( MP a ) l 7 5 2 6 ． 6 2 5 ． 9 2 2 4 表 2不同的水泥在 2 1 MP a下养护 三天 的机 械性能 1 9 5 1 ． 4 2 } 45 密度( g ／ c T n ~ ) ( 营通 ) ( 优 化) ( 优 化 ) P ,HCT ( ℃ ) 7 7 7 7 4 3 分散剂( 加仑 壤) 0 0 6 0 ． 0 8 0 0 8 缓凝剂( 加仑 ／ 袋 ) 0 ． 0 7 消泡剂( 加仑 ／ 袋 ) 0 ． 帕 0 ． 0 2 0 0 2 逮凝剂 0【 卫加仑／ 袋 1 ％ ( 占固体) 降失水剂( 加仑／ 袋) 0． 5 T平 均值( MP a ) 8 4 6 ． 5 4 3 3 E平均 值( 1 0 3 MP a ) 7 8 5 ． 8 2 7 F ／ E f f 矿) 1 ． 0 6 I 2 5 I 1 2 度水泥 的这一 性能 ，将 水 泥浆制 成棱 柱形试 块 ， 在2 I MP a 压 力 和 井 底 循 环 温 度 ( B HC T)条件下养护 3天 ，实验( 用三 点弯 曲实验装置 )显示 1 ． 9 0 g ／ f m 原 浆 的 ( T／ E) 1 0 值 在 l左 右 ， 高 性 能 低 密 度 水 泥 的 【 T／ E) t o 3 值在 1 ． 2一1 ． 3之 间 ( 见表 2 ) 。 4． 渗透率和孔隙度测 量不 同种类 的优 化干混物 制成高 性能低 密度 水泥石 的渗 透率 与 L 隙度 ，结 果与 1 ． 9 0 g ／ c 的原浆 测 的结 果 相对 比。 两种水 泥都 制成立方体 ．施加 2 1 MP a坻 力 养 护 7天 ， 在 养 护 的 最 后 阶 段 制 成 直 径 l 英 寸的圆柱 形水泥 芯用 来测 气体 渗透 率 。同 时 制 成 冻 干 的 水 泥 芯 以便 用 水 银 L 隙 度 仪 测 其有效 L 隙度( 连通 L 隙度) 。 两种水 泥 芯各 自的 实验 结 果 见表 3 。 高 性能低密度水 泥 与传 统 的 1 ． 9 0 g ／ c m3水 泥浆 相 比显示 出较 低 的 L 隙度和 渗透率 。其 渗透 率要低 l O倍 ，有 效 L 隙度 在 2 2 ％左 右 ，而 相应 的传统原浆则 有 3 4 ％ 表 3不 同的水泥在 8 5 ℃ 、2 1 MP a下 养护 1星期的平均渗透率和孔隙度 1． 4 4 } 4 3 I 8 6 密度( g ㈨ ) ( 优化 ) ( 优 化) ( 普通 ) 分散 剂( 加 仑壤) O ． 0 6 o 0 7 0 0 8 埕凝 剂( 加 仑／ 袋 ) 0 0 1 o ． 0 3 消泡 剂【 加仑壤) o o l 0 0 1 0 ． 0 3 降疑 水剂( 加仑 ／ 袋 ) 一 1 渗透 率( 毫选 西 ) 9 8 1 l 0 有效 孔隙 度( ％ ) 2} 2 2 3 3 5 ． 长期抗压强度将含有 3 5 ％硅 粉的优 化干 混 物 配 制 成 立 方 水 泥 块 。在 l 1 7 ℃ 和 2 1 MP a 环 境 下 分 别养 护 1星 期 和 l 2星 期。 在每 个养 护期 的最后 ，每 个体系取 两 个立 方 块压 碎 ，然后平均抗压强度。 表 4优化 的低 密度水泥在 1 1 7 + C、 2 1 MP a下抗 压 强 度 评 价 密度( g ／ c m3 I 4 0 1 ． 4 2 1 4 3 分散 剂【 加仑 ／ 袋 ) 0 ． 0 4 0 0 4 2 0 0 7 5 淌泡 剂( 加仑 ／ 袋 1 0 ． 0 2 O． 0 2 0 0 2 缓凝 剂( 加仑 ／ 袋 ) O ． [ I 3 0 0 3 0 0 3 t星期抗 压强度( MP a ) 2 3 5 2 4 ． 4 2 8 t 2星期抗 压 强度( MPa ) 2 3 2 4 ． 5 I 2 7． 6 表 4列 出了实验结 果 ，证 明在 1星期 到 维普资讯 6 2 国外钻井技术 第 1 4卷1 9 9 9年第 6期 1 2星期 的时 间内，低 密度水 泥能保 持其抗 压 强 度 ，没有 发现强度衰退 现 场 应用 浅海油 田 ，由于气 层浅 ，破 裂 压 力梯 度 低 ，要求使 用包 含 3种水 泥浆 的 防气 窜水 泥 体系固井 ，以保证 水 泥到 达正确 的位 置 以及 良好 的层 问封 隔，由此带 来 了非 常复 杂 的后 勤工作 ，以及 质量 控制 问题。对 于该 地 区上 层套管是 3 O英寸导管 以 及下 深 1 0 4 0米的 1 3 套管 固井 ，传统水 泥浆体系面 临的主要 问 题 是 井 眼 容 积 预 测 井 底 静 止 温 度 只 有 5 2 ℃ ，井底循环 温度 3 8 ℃ 。这一特殊 井段 使 用 的水 基 泥 浆 密 度 是 1 ． 1 2 g ／ c m3 该 地 区 经 常遇到漏失 现 象 ，所 以在一 次 注水泥 后必 须 进行“ 戴 帽 ”作业 气窜 和 低破 裂压 力梯 度 地层要求使 用复杂 的水 泥体 系 ，其 中包 含两 种领浆 和一 种尾浆 。第 一种 领 浆含有 防 气窜 剂 封固上部层段 ；第二种领浆 封固中间层段 ， 为减 少水 泥浆 的液 柱压力而使用漂珠水泥浆 。 尾浆 应具有 高 的早 期强 度 以保 证能尽 快重 新 开钻 执行这 样的施工非常困难 解决水 泥浆到位 问题 的方 法是 用具 有 防 气窜 性能 的高性能 低 密度水 泥来封 固整 个井 段 ，尾浆也 不再需 要 ，因为 高性能 低 密度 水 泥与 1 ． 9 0 g ／ c m3的原 浆一 样 有很 高的 早期 强 度 为 了取得满意 的全 井段 封 固效 果 以及 控 制气窜 ，这个单一 的水 泥浆需满 足以下需 求 ： 密度不高于 1 ． 4 3 g ／ 一，AP I 失水小于 4 0 ml ， 自由水 为 0 ，2 4小 时抗 压 强 度 大 于 1 4 MP a ， 以及 在 3 8 ℃ 的 B HCT下 有 良好 的沉 降 稳定 性 。这 种 高 性 能 低 密 度 水 泥 浆 含 有 0 ． 2 g p s ( 磅／ 1 0 0磅袋)液体消饱 剂 ，0． 1 8 g p s液体分 散剂 ，0 ． 6 5 g p s液 体 防气 窜 剂 。设计 出 的 水 泥浆 密 度 1 ． 4 3 g ／ c m3 ，其 性 能 如下 ：4 5 ℃ 自 由水 为 0 ；在 B H( T F下 的 稠 化 时 间是 4： 4 1达 到 4 0 B c ，5 ： 0 1达 到 7 0 B 【 ；在 B 神[ 下 2 4小 时抗压强度 1 7 ． 5 MP a 。 施 工 程 序 如 下 ：优 化 处 理 后 的 干 混 物 在 散灰库 中准 备好 ，而 后送 往 浅海 钻 井 现 场 ， 经过现场实 验室 检测 。配 浆作 业用传 统 的混 合装置 。先 以紊流状 态注 入包 括 活性 清洗剂 的前置 液 ，最 后 注入 的顺 序 是 ：5 0桶 清水 ， 恬性 清洗剂 ，8 1橱低 密度水 泥浆 ，以及替浆 用的 5 4桶水 基泥浆 。 用 1 ． 4 3 g ／ c m3的 低 密 度 水 泥 浆 提 高 了层 间封 隔质量 并大大简 化 了后勤 作业 。作业过 程 中没有漏失发生 ，而且有 5 0桶水泥浆返出 地面。作业后环 空没 有 气窜发 生 。套 管鞋 试 验显示质量很 好 ，重新 开 钻时 发现 水泥 塞很 坚 硬 其它类似 的作业都 证 明了使 用 这种水 泥 浆能提高 层 间封 隔 质 量 和 施工 质 量 。至 今 ， 在 同一地 区已完成 了 4次作 业 ，全 都获 得成 功 由于可 以降低 作业 商 的费 用如 ：简 化后 勤作 业 ，不需 要 补 挤 作业 ，保 证 封 固质 量 ， 这 一 新技 术 被认 可作 为这一 地 区今 后所有 固 井作 业的标准方法 结 论 混凝土行业 应用低 密度 干混 物颗粒 优 化 原理 可以保证 设计 出需 水少 的水泥 浆 。水 泥 浆的性能也 不再 由设计 密度 决定。水 泥浆孔 隙度减少可提 高 水泥石 的各 项性能 ，包 括低 收缩率 ，可观 的强度 发展 ，低 渗 透率 与孔 隙 度 以及 良好 的力学性能 。 因为提 高水 泥 浆的一 项或 多项性 能 有利 于一些特 殊要 求 ，优化混 合物 能够 在许多 条 件下应 用。本 文 的研究证 明了应用 这种 水 泥 浆可 以减 少 钻 机候 凝 时 间，简 化后 勤 准 备 ， 提高 打水泥塞 成功率 以及避 免低破 裂压力储 层在 注水泥 过程 中发 生漏失 从而免 去 了补挤 水 泥 费用 。 译 自S P E／1 ADC 3 9 2 7 6 维普资讯